クライスラー SERV
左上はMURPを搭載したSERVです。DC -3の設計と比較すると、SERVの右側に直線翼があるため、SERVの全長は100フィート強、DC-3は300フィート弱となります。

SERV（Single-stage Earth-orbital Reusable Vehicle、単段式地球軌道再使用型機）は、クライスラー社の宇宙部門がスペースシャトル計画のために設計した宇宙打ち上げシステムです。SERVは、ほぼすべての競合他社がシャトル開発プロセスに投入した2段式スペースプレーンとは根本的に異なり、シャトル計画において真剣に検討されることはありませんでした。

SERVは、既存のサターンV複合施設から打ち上げられ、ケネディ宇宙センターに垂直着陸して再利用される単段式の軌道上宇宙船となる予定でした。SERVは、アポロ宇宙船を大幅に拡張したような形状で、中央の空洞部分に125,000ポンド（57,000kg）の貨物を搭載できる構造でした。SERVは貨物ミッションでは無人のまま打ち上げられ、貨物カプセルを放出して地球に帰還することができました。有人ミッションでは、別のスペースプレーンであるMURP（有人上段再使用型ペイロード）を機体上部に搭載することができました。

「SERV」という名前は、全く関係のないNASAのプロジェクト「宇宙緊急再突入体」でも使用されていました。

歴史

背景

1966年、アメリカ空軍は様々な有人宇宙船と関連する打ち上げ機を検討する研究活動を開始しました。提案が検討される中で、再利用性のレベルに基づいて3つのクラスに分類されました。開発規模のよりシンプルな「クラスI」は、既存または改造されたICBMベースの打ち上げ機の上にスペースプレーンを搭載するものでした。「クラスII」は、打ち上げ機の一部コンポーネントに部分的な再利用性を追加し、「クラスIII」は完全に再利用可能なものでした。アメリカ空軍は既にX-20ダイナソア計画においてクラスI設計の作業を開始していましたが、この計画は1963年12月に中止されました。しかし、ロッキード・スタークリッパーのクラスII設計には将来の開発の可能性として関心を示していました。しかし、アメリカ空軍が有人宇宙計画への関心を低下させたため、この研究活動は結局成果を上げることはありませんでした。

当時、NASAはアポロ計画の建設を段階的に縮小し、宇宙船の飛行準備が進んでいました。将来を見据え、NASAの複数の部局が1970年代以降に有人ミッションの実現を模索するプログラムを開始しました。数多くの提案の中で、恒久的な有人宇宙ステーションが有力候補でした。これらの計画は、既存のサターンロケットを用いて宇宙ステーションと乗組員を打ち上げることを前提としていましたが、サターンシステムは想定されていたような継続的な補給と乗組員の交代には対応していませんでした。シンプルで安価な有人打ち上げ機、「フェリー兼補給機」というアイデアは、宇宙ステーション研究からほぼ後付けで生まれたもので、初めて言及されたのは1967年度の予算でした。[ 1 ]

低コストで再利用可能な宇宙輸送システム（STS）の設計は、1967年12月にジョージ・ミューラーがこのテーマに関する1日間のブレインストーミングセッションを主催したことから本格的に始まりました。ミューラーはアメリカ空軍を招き、プロジェクトの当初の頭文字である「ILRV」をそのまま残すことで議論を活発化させました。当初のアメリカ空軍の研究と同様に、運用コストの低さと迅速なターンアラウンドを重視し、交代要員と基本的な物資を積載する小型の輸送機が構想されました。しかし、アメリカ空軍とは異なり、NASAの宇宙タスクフォースはすぐにクラスIII設計へと直接移行することを決定しました。

フェーズA

NASAはSTSの開発計画を4段階に分けた。「フェーズA」は、全体的な技術方針を選定するための一連の初期調査であり、1968年に開発契約が締結され、1969年秋には提案が提出される予定だった。様々な産業界のパートナーから、数多くの設計案が提示された。ほぼ全ての設計案は小型で、完全に再利用可能であり、デルタ翼または揚力体型宇宙機をベースとしていた。

クライスラー・エアロスペースはフェーズAシリーズへの参入としてNAS8-26341契約を獲得し、チャールズ・サラット率いるチームを結成した。1969年の報告書NASA-CR-148948では、SERVの設計、予備的な性能評価、基本的なミッションプロファイルが概説されていた。この報告書では、幅23フィート（7.0メートル）の貨物室について説明されていた[ a ]。サラットは、SERVはどの有翼プラットフォームよりも柔軟性が高く、有人・無人ミッションの両方に対応でき、かつ全体サイズもはるかに小型であると確信していた[ 2 ] 。

NASAのほとんどのセンターが有翼機の1つを支持し、それらのどれとも大きく異なっていたため、SERVは官僚機構内に支持者を見つけることができず、STSで真剣に検討されることはなかった。[ 3 ]さらに、宇宙飛行士団は、将来のNASAの宇宙船は有人である必要があると断固として主張し、[ 4 ]（したがって、無人になる可能性のあるSERVは、ここでも支持者を獲得できなかった）、重量増加の影響を受けやすいため、SSTOとしてのコンセプトには高い技術的リスクがあった。

いずれにせよ延長契約が提案され、SERV 設計に関する最終的な NASA-CR-150241 報告書が作成され、1971 年 7 月 1 日に提出されました。この報告書は主に細かい点が異なっていましたが、主な変更点は、シャトルの他の提案に合わせて貨物室の幅が 23 フィートから 15 フィート (4.6 メートル) に縮小されたことです。

説明

車両設計

SERVは、クライスラーが「改良型アポロ設計」と呼んだ、丸みを帯びた底面を持つ大きな円錐形の機体で構成されていた。この類似点は、両方の機体が鈍角再突入プロファイルを使用していたためである。これは、丸みを帯びた表面の前に非常に大きな衝撃波を発生させることで、再突入時の加熱負荷を軽減する。機体を移動方向に対して傾けると、衝撃波のパターンが変わり、宇宙船の操縦に使用できる揚力が発生する。SERVの場合、弾道の両側に最大約100海里まで揚力を発生させることができる。 [ 5 ]揚力発生を助けるため、SERVは「段差」があり、円錐の下部は約30度、上部は45度近くに傾斜している。SERVは最も広い部分で幅96フィート（29メートル）、高さ83フィート（25メートル）であった。[ 6 ]総打ち上げ重量は6,000,000ポンド（2,700,000 kg）をわずかに上回り、[ 7 ]サターンVの6,200,000ポンド（2,800,000 kg）とほぼ同じですが、 [ 8 ]シャトルの4,500,000ポンド（2,000,000 kg）よりは重いです。[ 9 ]

SERV機体の大部分は鋼鉄複合ハニカム構造で、底面はねじ込み式のアブレーティブ・ヒートシールド・パネルで覆われており、ミッション間の交換が容易だった。熱負荷が大幅に低い機体上部は、下部の石英断熱材を覆う金属シングルで覆われていた。[ 10 ] 機体下部からは4本の着陸脚が伸びており、格納時にはその「脚部」がヒートシールド表面の一部を形成した。[ 11 ]

12モジュールのLH2/LOXエアロスパイクエンジンがベースの縁の周りに配置され、可動式の金属シールドで覆われていた。[ 12 ]上昇中、シールドは気圧の低下に合わせて本体から移動し、大きな高度補正ノズルを形成する。モジュールには4つの相互接続されたターボポンプから燃料が供給され、通常動作では設計容量の75%で稼働する。1つのターボポンプが故障した場合は、残りの3つを100%に調整することで、全出力を維持できる。エンジン全体としては7,454,000 lbf（25.8 MN）の推力を発揮し、[ 7 ]これはサターンVの第1段であるS-ICとほぼ同じである。

基地周辺には40基の20,000lbf（89kN）ジェットエンジンが配置され、着陸直前に噴射されて降下速度を減速させた。エンジン上部の可動式ドアは給気のために開いた。[ 13 ] 2基のRL-10が軌道離脱推力を提供したため、宇宙空間でメインエンジンを再始動する必要はなかった。軌道上での操縦（SERVにとってそれほど大規模ではなかったが、後述）も、異なる燃料を使用するスラスタではなく、小型のLOX/LH2エンジンによって行われた。[ 14 ]

宇宙船の外側の縁、エンジンの真上にある一連の円錐形のタンクに液体酸素が貯蔵されていた。液体水素は宇宙船の中心に近い、はるかに大きなタンクに貯蔵されていた。液体酸素タンクの丸い端の下の隙間にあるはるかに小さな球形のタンクには、ジェットエンジンに燃料を供給するためのJP-4が入っていた。軌道操作用および軌道離脱用のエンジンは宇宙船の上部に集まっており、液体水素の間に点在する専用のタンクから燃料が供給されていた。[ 13 ]このタンクの配置によって宇宙船の中央に 15×60 フィート (18 メートル) の大きな空きスペースができて、そこが貨物室として使われた。[ b ]

動作モード

2つの基本的な宇宙船構成とミッションプロファイルが想定されていました。「モードA」ミッションでは、SERVは高度260 nmi (480 km)、傾斜角55度の高高度駐機軌道に投入されます。この軌道は、高度270 nmi (500 km)の宇宙ステーションの軌道のすぐ下に位置します。「モードB」ミッションでは、ケネディ宇宙センターから真東に打ち上げられ、高度110 nmi (200 km)、傾斜角28.5度の低軌道(LEO) に投入されます。どちらの場合も、SERVはコンテナベイに長尺貨物コンテナを搭載し、オプションで有人宇宙船を上部に搭載することもできます。

当初の提案では、有人ミッションを支援するためにMURPと呼ばれる揚力体型宇宙機が使用されていました。MURPは、ノースアメリカン・ロックウェル社がSTS（宇宙探査）プロジェクトの一環として既に研究していたHL-10の設計に基づいていました。MURPは、全長114フィート（35メートル）の貨物コンテナとフェアリングの上に取り付けられました。[ 15 ]研究の第2版では、クライスラー社はMURPをアポロ宇宙船（CSM）をベースとした「人員モジュール」に置き換えるオプションも追加しました。人員モジュールは、同じ貨物コンテナと組み合わせると全長74フィート（23メートル）になります。当初の「SERV-MURP」はSERVと組み合わせると全長137フィート（42メートル）でしたが、新しい構成の「SERV-PM」は全高101フィート（31メートル）でした。[ 7 ]どちらのシステムも、上昇中は有人部分の全方向アボートが考慮されていました。[ 16 ]

モードとモジュールの4つの組み合わせすべてを検討した後、最も効率的であるとして2つの基本的なミッションプロファイルが選択された。SERV-PMでは高地球軌道が使用され、PMはステーションに到達するために短い距離のみを移動します。SERV-MURPでは低地球軌道が使用され、MURPは残りの行程を自力で移動します。どちらの場合でも、SERVはすぐに地球に戻り、PMまたはMURPが単独で着陸するか、より一般的には、駐機軌道で待機し、以前のミッションの貨物モジュールが地球に帰還するためにランデブーするのを待つことができます。[ 17 ]重量とバランスを考慮して帰還ペイロードは制限されました。

どちらの構成でも宇宙ステーションに25,000ポンド（11,000 kg）の貨物を運んだが、PM構成では全体の投下重量がはるかに低かった。[ 15 ] PM構成でカプセルの代わりにフェアリングを使用した場合、SERVはLEOに112,000ポンド（51,000 kg）を運ぶことができ、「拡張ノーズコーン」を使用すると125,000ポンド（57,000 kg）を運ぶことができた。[ 18 ]拡張ノーズコーンは細かさの比が高い長いスパイクで、上昇中に機体から衝撃波を発生させることで大気抵抗を減少させた。[ 11 ]

さらにクライスラーは、SERV前面に幅33フィート（10メートル）の荷物を搭載する方法も概説した。これはサターンVの下段であるS-ICとS-IIの直径であった。NASAはアポロ応用計画において、この直径に基づいたサターンINT-21での打ち上げを意図したさまざまなペイロードを提案していた。クライスラーは、重量を考慮すればSERVでも打ち上げられることを実証した。しかし、これらの計画はより大きな23フィート（7.0メートル）の貨物室を持つ初期のSERV設計に基づいていた。[ 11 ] NASAの荷物がすべてのSTS提案に共通するより小さな15フィート（4.6メートル）の貨物室に収まるように調整されたため、このオプションは廃止された。

SERVは長期間の軌道滞在は想定されておらず、報告書に記載されている最長ミッションでも48時間弱であった。[ 19 ]通常、数回の周回を経て地上軌道がケネディ宇宙センターに十分接近した後、帰還することになっていた。また、一周回飛行を中止するミッションも検討されていた。SERVは再突入操作によって着陸地点から4マイル（6km）以内の地点まで帰還するように設計されており、残りの距離はジェット推進による降下中に確保される予定であった。[ 20 ]

建設と運営

NASAはクライスラーと提携し、NASA設計のサターンIBをニューオーリンズ郊外のミショー組立施設で製造した。クライスラーはSERVもミショーで製造し、同じ工場からボーイングのS-ICを輸送するベイ級の宇宙船でケネディ宇宙センターに輸送することを提案した。SERVは宇宙船よりも幅が広かったため、全幅を狭めるためにわずかに傾けて輸送する必要があった。そして、宇宙船を水しぶきから守るため、船の側面にポンツーンが追加された。[ 21 ]

SERVは、ビークル組立棟（VAB）ハイベイで艤装され、ローベイで準備されたPMまたはMURPと結合され、既存のクローラートランスポーターでLC39パッドまで輸送される。[ 22 ] LC39パッドは、SERVの使用にはサターンIBの打ち上げに必要なものと同様のわずかな変更のみを必要とした。[ 23 ]クライスラーは、LC39とVABの間にいくつかのSERV着陸パッドと、既存のスペースシャトル着陸帯の近くにMURP用の着陸帯を建設することを提案した。[ 24 ] SERVは巨大なフラットベッドトラックでVABに返却される。その他の新しいインフラストラクチャは、ミシュード近くのミシシッピテストオペレーションエンジンテスト複合施設のテストスタンド一式のみであった。

開発および建設コスト

既存のインフラの多くを再利用することで、全体的なプログラム費用が削減され、総費用は35億6500万ドルと見積もられ、各SERVの費用は1971年度ドルで3億5000万ドル、10年間の耐用年数で100回の飛行が可能とされた。[ 25 ]これは、ほとんどの企業が提案した2段フライバックの提案よりもはるかに安価であり、ピーク時の開発費用は約100億ドルだった。

類似のデザイン

SERVは、後のマクドネル・ダグラスDC-Xの設計に類似していました。両者の主な違いは、DC-Xは軍事任務向けに開発され、はるかに高度な再突入機動能力が求められたことです。そのため、機体は細長く、機首から再突入しました。この形状を軌道に対して傾けることで、SERVの鈍い底面よりも大幅に大きな揚力が発生しますが、機体にかかる熱負荷も大幅に増加します。

近年では、オリジナルのSERVレイアウトがブルーオリジンのゴダード宇宙船に採用されました。SERVと同様に、ゴダード宇宙船も軍用ロケットのような長距離クロスレンジ性能を必要としなかったため、よりシンプルな鈍体型再突入プロファイルに戻りました。類似した関光丸の設計研究でも、同じ鈍体型VTOLプロファイルが採用されました。

参照

注記

  1. ^直径はサターンIV段とほぼ同じで、どちらのプラットフォームでも貨物の運搬が容易です。
  2. ^ 1969 年版の SERV 設計に基づくいくつかの情報源では、貨物室の幅は 23 フィートであるとされているが、最終的な機体の選択により、他のシャトル設計に合わせて 15 フィート x 60 フィートに縮小された。

参考文献

引用

  1. ^ヘレン・ウェルズ、スーザン・ホワイトリー、キャリー・カレジャンヌ、「NASA​​の名前の由来」、NASA SP-4402、1976年
  2. ^ NASA-CR-148948、9ページ
  3. ^アンドリュー・ブトリカ、「Single Stage to Orbit」、ジョンズ・ホプキンス大学出版局、2003年、 ISBN 0-8018-7338-X、84ページ
  4. ^グレッグ・イースターブルック、「スコッティ、死の罠から私たちをビームで追い出してくれ」、2016年3月4日アーカイブ、ワシントン・マンスリー、1980年4月
  5. ^ CR-150241、スライド3-33
  6. ^ CR-150241、スライド2-3
  7. ^ a b c CR-150241、スライド2-9
  8. ^ 「サターンVとは？」 NASA 2015年6月2日。
  9. ^ 「シャトルの技術的事実」ESA。
  10. ^ NASA-CR-148948、111ページ
  11. ^ a b c NASA-CR-148948、35ページ
  12. ^ CR-150241、スライド4-3
  13. ^ a b CR-150241のスライド2-13の一般レイアウト図を参照
  14. ^ NASA-CR-148948、117ページ
  15. ^ a b CR-150241、スライド2-5
  16. ^ CR-150241、スライド3-17
  17. ^ CR-150241、スライド2-7
  18. ^ CR-150241、スライド3-19
  19. ^ CR-150241、スライド3-5
  20. ^ NASA-CR-148948、119ページ
  21. ^ CR-150241、スライド9-11
  22. ^ CR-150241、スライド9-15
  23. ^ CR-150241、スライド9-21
  24. ^ NASA-CR-148948、145ページ
  25. ^ CR-150241、5ページ

参考文献

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